霍尔转速传感器

霍尔转速传感器 学习任务五 霍尔转速传感器 ◎ 知识目标 (1)掌握霍尔传感器中霍尔元件的结构原理图、端子图。 (2)掌握霍尔传感器测量转速的控制机理和波形检测分析。 (3)了解霍尔传感器在汽车中的应用和基本测量。 ◎ 技能目标 (1)掌握使用万用表检测霍尔元件检测方法。 (2)掌握霍尔传感器应用电路的连接。 (3)初步掌握使用示波表测量霍尔传感器波形并分析。 ◎ 素质目标 (1)规范课堂6S管理。 (2)养成团队协作的好习惯。 (3)养成独立思考问的好习惯。 建议完成本学习任务的时间为6课时。 学习任务导入 霍尔传感器广泛应用于世界上各种车型的汽车电控系统中，当其本身损坏、线路故障、机械故障等会点亮仪表故障指示灯，并会伴随各种故障症状，使用汽车故障诊断仪常常会读到“霍尔传感器信号不良”故障码，对此需要我们进行故障诊断和排除。 学习内容 霍尔速度传感器的波什么是霍尔效应 形特点与分析 霍尔电压产生的条件二线和三线霍尔传感霍尔转速传感器 与霍尔器件 器的区别 霍尔传感器的故障检霍尔器件的开关作用 测与排除 获取信息 引导问题1 什么是霍尔效应, 霍尔效应是指当固体半导体有电流通过，且放置在一个磁场内，导体内的电荷载子受到洛伦兹力而偏向一边，继而产生电压这就是霍尔效应，霍尔效应产生的电压叫霍尔电压，霍尔电压的方向和磁场作用方向有关、和电流大小成正比和半导体厚度成反比。 1)微观解释:在导体上外加与电流方向垂直的磁场，会使得导线中的电子与空穴受到不同方向的洛伦兹力而往不同方向上聚集，在聚集起来的电子与空穴之间会产生电场，此一电场将会使后来的电子空穴受到电力作用而平衡掉磁场造成的洛伦兹力，使得后来的电子空穴能顺利通过不会偏移，此称为霍尔效应。 2)霍尔效应工作原理图 图7-4微观原理图 图7-5 三维物理量关系图 图7-6 霍尔效应输出电特性图 特性:非线性，模拟物理量，输出霍尔电压随磁场强度和电流强度的增大而增大。 引导问题2 什么是霍尔传感器, 由于霍尔元件产生的霍尔电势差很小，故通常将霍尔元件与放大器电路、温度补偿电路及稳压电源电路等集成在一个芯片上，称之为霍尔传感器，也称为霍尔集成电路。 引导问题3 霍尔传感器有何作用, (1)测量旋转部件的转速和位置:霍尔传感器在汽车电控系统主要应用于测量旋转部件的转速和位置，如用于测量曲轴位置的叫霍尔曲轴位置传感器或叫转速传感器、用于测量凸轮轴位置的叫霍尔凸轮轴位置传感器或叫同步传感器、用于测量轮速或车速的叫霍尔车速传感器。 (2)测量位置和旋转方向:汽车天窗关闭检测传感器、电动转向传感器、座位移动控制、自动波箱档位、汽车安全带扣锁都广泛使用霍尔开关传感器，如部分欧洲车用于测量自动波箱档位位置、丰田汽车用于测量座椅位置等。 (3)测量电流大小:门控模块中有霍尔电流传感器，俗称玻璃防夹电流传感器，通过 线性霍尔电流传感器检测回路中的电流，当电流过大时，自动收回玻璃窗。 引导问题4 霍尔开关传感器结构及工作原理如何, 霍尔开关传感器是利用霍尔效应原理经过内部电路变换而成的，在半导体通电状态下磁场作用于霍尔元件而产生霍尔电压，霍尔电压经过施密特整形后变成高低电平驱动场效应管或三极管导通或断开，从而可以实现对转速或位置的判断。 图7-7 霍尔开关内部结构图 7-8 霍尔开关输出特性图 图7-9 霍尔元件管脚图 7-10 霍尔开关元件内部电路工作原理图 特别说明:工作电压:4.5-24V，工作电流:3-9m A 引导问题5 霍尔传感器如何分类, 按照功用分为:霍尔凸轮轴位置传感器、霍尔曲轴位置传感器、霍尔转向角度传感器、霍尔座椅位置传感器、霍尔轮速传感器、霍尔波箱档位传感器等。 按照接线方式:2线式霍尔传感器、3线式霍尔传感器。 制定 各小组成员制定实施本次实训任务的具体步骤、操作方法，预期效果。 步骤 内容 1 2 3 4 5 做出决策 教师根据学生提交的计划进行审核评价，如果不通过则由教师提出整改意见，通过之后 每小组根据本小组制定的计划实施任务。 小组 评价 1 2 3 4 续上表 5 实施计划 一、任务准备 引导问题6 完成本次学习任务需要准备哪些积木、器材, 积木连线实训板 万用表 可调锂电池模块 示波表 霍尔特性积木板 七彩风扇霍尔特性板 磁敏元件 实验用小磁铁 霍尔式凸轮轴位置传感器实训板 霍尔轮速传感器教学实训板 二、任务要求 教学组织 分组实训:全班____人，每____人一组，分为____组，___套实训器材，每组小组长一名。 职责分工 教师职责:课堂纪律与、实训器材管理、指导与巡查。 学生职责:班长协助教师对班级全面管理与监控、学习委员负责器材管理和检查、团委书记负责安全与纪律及素质评价、副班长负责收集和反馈学生意见，实训小组长负责指导组内学习和交流。 6S要求:安全 整理 整顿 清洁 清扫 素养 三、任务步骤 步骤一 实训积木板的认识及检查 步骤 图示 任务内容 完成情况 检查固定电压输出、可调电压输是?否? 1 出、电压显示是否正常。 波动万用表档位开关，检查功能、是?否? 2 液晶显示是否正常。 读识电路原理图与各接线端子的 功能，检查信号转盘与霍尔传感器位是?否? 3 置有无异常。 续上表 通电检测风扇是否正常。 是?否? 4 读识霍尔传感器内部电路图与对是?否? 5 应的外部接线端子，检查传感器外观。 打开示波表电源，检查液晶显示是?否? 6 是否正常。 读识积木板各部分名称和接线端是?否? 7 子的功能，检查各部件有无异常。 读识积木板各部分名称和接线端是?否? 8 子的功能，检查各部件有无异常。 步骤二 霍尔开关元件的认知与测量 步骤 图示 工作页 读识积木板上的原理图，认识霍尔开关元件型号为_______，对照积木板中霍尔元件中端子，填写端子功能Vcc为_______，1 OUT为_______， GND为_______。 续上表 读识霍尔元件性能测试电路原理图，说明每个积木模块的作用。 电源:______________________________ 2 霍尔元件:__________________________ 万用表:____________________________ 用万用表测量通电霍尔IC性能，用连接导线按照积木连接示意图连接成完整电3 路，注意连接前先关闭电源开关。 检查无误后接通电源，将万用表调至 200欧姆档位，没有小磁铁靠近时，霍尔开 关元件OUT至GND之间的电阻为4 _________， 表明此时霍尔元件输出端OUT 跟GND之间相当于开关_________。 使用小磁铁靠近霍尔元件，注意极性， 观察万用表的读数为_____欧姆。表明此时 霍尔元件输出OUT跟GND之间相当于开5 关________，如果无论怎么调换磁场极性万 用表读数都没有什么变化则说明霍尔元件 _________。 步骤三 霍尔转速传感器特性测量 步骤 图 示 工作页 用连接导线按照积木连接示意图连接1 成完整电路，注意连接前先关闭电源开关。 续上表 提示:霍尔开关元件是一个数字开关，当信号盘上的小磁铁靠近于霍尔开关时，产生霍尔电压，此时测量OUT处的电压应当接近0V低电平，此时发光二极管点亮;当触发信号盘上的小磁铁离开霍尔元件时，此时测量OUT处的电压应当为12V高低电平，发光二极管熄灭。 将积木板上的电位器旋钮调制最小位 置电动机停止运转，慢慢转动电机上的信号2 盘，当磁场离开时，观察LED_________， 原因是___________________。 将积木板上的电位器旋钮调制最小位 置电动机停止运转，慢慢转动电机上的信号 盘，当磁场靠近霍尔元件时，LED_______，3 原因是______________。 从左至右调节电机转速电位器，可以看 到LED交替闪烁，说明________________，4 信号盘转速跟LED闪烁频率有何关系, ____________________________________。 用连接导线按照积木连接示意图连接5 成完整电路，注意连接前先关闭电源开关。 接通电源，打开示波表开关，调节霍尔传感器特性实训板上的电位器旋钮将转速调节至1000转/分左右，调节示波表测量参6 数，直至屏幕出现完整的波形图。波形特点跟什么因素有关, ___________________________________ 续上表 根据波形图我们知道波形参数，数字波 形的幅值是________，频率为________，请 描绘波形并做简要说明。为什么需要接一个7 上拉电阻,_____________ _____________________________________ 8 描绘波形 步骤四 3线霍尔凸轮轴位置传感器波形测量和分析 步骤 图 示 工作页 读识积木实训板，该大众帕萨特凸轮轴位 置传感器，霍尔传感器的结构组成由 _________、 ___________、____________等1 组成，信号转盘和汽车__________相连。 按照示意图连接好实际积木电路，连接无误后接通电源，打开示波表开关，调节示波表电压幅值和时基，调节积木实训板上转速调节2 旋钮，仔细观察波形并做好相关记录。 固定一个转速，设置示波表触发方式为单次触发，定格波形，根据波形图得出该波形的3 幅值为_____，周期为_______，频率为________。请描绘波形并回答相关问题。 续上表 4 描绘波形 思考:同一周期内波形出现宽窄不一，其原因是___________________________， 该形状和汽车的_________有关，代表____________________________________。 步骤五 霍尔转速传感器应用测量 步骤 图 示 工作页 读识电路原理图，一般霍尔转速 传感器直接接上电源，通过磁场感应1 装置就可以输出信号，我们可以直接 用示波表测量分析波形。 续上表 按照原理图连接实际电路，注意2 连接前先关闭电源开关。 知识链接:在电脑或其他工控设备中，我们可以使用软件查看CPU冷却风扇的转速，实际上就是使用霍尔元件进行检测的，在汽车中经常用于测量曲轴位置和转速，也用于测量轮速等，对于传感器外部接线有3条线的霍尔型传感器，其结构由永久磁铁，霍尔开关元件和和旋转轴相连的信号盘组成，对于2线霍尔传感器的轮速传感器，其结构组成有隐形磁环和霍尔集成处理电路组成，测量原理都是采用磁场交替作用于霍尔开关元件而产生数字波形通过对应的波形分析可以得到旋转轴位置和转速快慢。 检查无误后接通电源，打开示波 表开关，耦合方式为交流耦合，进入3 参数选项设置合适参数，观察波形， 做好相关记录。 固定一个转速，一般霍尔转速传 感器输出的都是矩形波，高电平代表 _______，低电平代表___________;4 此时风扇的转速是______(转/分 钟)，调节电源电压，观察波形变化， 波形频率跟风扇转速有何关系, ____________________________ 按照连接示意图连接2线霍尔轮 速传感器实训电路，输出信号接入示5 波表，检查无误后接通电源，打开示 波表电源开关，设置示波表参数，观 察波形，做好相关记录。 续上表 固定一个转速，选择单次触发方 式，定格波形，从波形中我们可以看6 出波形宽窄不一，这与____________ 有关，你能从波形中计算出此时的转 速吗,________________________ 观察实训板模拟车速表，车速的 单位为_________，一般汽车在行驶中7 发动机转速与车速有何关系, ________________________________ 检查控制 检查项目 结果或数据 检查项目 结果或数据 检查项目 结果或数据 连线是否规是否认真观是否单独完 范 察实训现象 成工作页 是否出现异测量数据是是否严格执 常现象 否准确 行6S管理 评价反馈 一、自我评价 掌握的程度 在知识与技能方面的收获: 牢固掌握 基本掌握 模糊不清 能够简单说明霍尔效应原理 能够检测霍尔元件的性能 能够分析霍尔转速传感器的电路特性 能够用示波表测量霍尔转速传感器波 形并分析波形特点 能够简单分析霍尔式凸轮轴位置传感器电 路结构及波形特点 能够简单分析霍尔转速传感器的应用情况 希望自希望老师改 我改进进的地方 的地方 实训小组学生: 完成时间: 年 月 日 二、小组和教师对本学习任务进行评价 学生自评 小组互评 教师评价 小考核项目 评分 分数 (权重20%) (权重60%) (权重20%) 计 团队合作 是否协调信任 5 活动参与 是否积极主动 5 安全实训 有无安全隐患 10 现场6S 是否做到 10 是否正确、合 任务 5 理 是否独立完成 实训 实训过程 40 工作页完成情 况 任务完成 是否圆满完成 5 情况 工具和设是否规范、标 10 备使用 准 是否能够回答 问答 5 正确 实训设备 是否完好 5 总分 100 得分 教师签名: 年 月 日